食品工業清洗用低泡表面活性劑

馬曉琳 姜 丹

（陶氏化學（中國）投資有限公司，上海，201203）

隨著社會生活的進步，食品安全問題越來越受到廣泛關注。在食品生產中難免會有一些污漬沉積在設備管道內，如果沒有及時清洗去除，會直接影響產品的質量和安全[1]。所以，在食品加工和包裝過程中，設備運行前及運行一段時間后，必須對儲料槽、管道、設備上接觸產品流體的關鍵部位進行物理和化學清洗，去除可能導致產品污染、變質的微生物和其他雜質，使包裝后的食品有穩定的保質壽命。目前，常用的清洗技術之一是CIP （Clean-In-Place）原位清洗系統，可應用于乳制品、果汁、飲料等食品加工業的重要設備組件。其洗滌劑主要包括堿性清洗劑、酸性清洗劑以及清洗添加劑。堿洗對于蛋白質、多糖、油脂等有機污垢具有優良的去除效果，而酸洗主要用于清洗水垢和難溶脂肪酸鹽。表面活性劑作為重要的清洗添加劑之一，可以起到潤濕、分散、懸浮等作用，幫助提升清洗效果[2-4]。由于過多泡沫會影響清洗工藝，配方中通常會復配具有抑泡功能的低泡表活，以降低體系泡沫，并一定程度抑制清洗過程中食物污垢的發泡。

ECOSURF? LFE-1410是一款環保型低泡非離子表面活性劑，其以支鏈脂肪醇起始，經烷氧基化反應制得。該產品具有易生物降解、低氣味和低水生毒性的特點。本研究針對泡沫、潤濕、漂洗等性能進行測試，與清洗配方中常用的低泡表面活性劑（EO/PO共聚物）相對比，考察了該原料用于食品飲料工業清洗的潛力。

表1 主要原料（材料）

1 實驗部分

1.1 材料及儀器

實驗用到的原料（材料）及儀器分別見表1和表2。

表2 主要儀器

1.2 泡沫性能

1.2.1 針對陰離子表活的抑泡性能

采用去離子水配制兩種表面活性劑水溶液。試液1僅含2.2 g/L DOWFAX? 2A1，試液2含2.2 g/L DOWFAX? 2A1和0.5 g/L ECOSURF? LFE-1410。通過對兩者羅氏泡沫高度的比較來評價ECOSURF? LFE-1410的抑泡性能。

發泡力測試方法參考國標GBT 13173－2008《表面活性劑洗滌劑試驗方法》在室溫（約22℃）下進行。先用去離子水清洗刻度量管和滴液管，然后用試液潤洗，避免泡沫殘留。關閉刻度量管旋塞，將試液沿管壁加入刻度量管至50 mL刻度線以上，靜置5 min，調節旋塞使液面恰好在50 mL刻度處；使用滴液管吸取200 mL試液并將其放在刻度量管上口；打開滴液管的旋塞，讓溶液流下；當溶液流完立即開始計時并讀取初始泡沫高度，在5 min末再讀取第二次讀數。

1.2.2 配方體系的低泡性能

配制復配清潔劑，含有6%碳酸鈉、6%九水硅酸鈉、6%EDTA四鈉四水合物、2% DOWFAX? 2A1，以及2%低泡表面活性劑（均為質量百分比）。低泡表面活性劑分別選用ECOSURF? LFE-1410和對照表活，進行平行對比，以評估兩個產品在配方中的抑泡性能。

循環鼓泡測試前將配方按1:20稀釋，升溫至60℃。同時開啟循環鼓泡儀的水浴到相應溫度。然后將待測液倒入測試管內。本實驗鼓泡時間10 min，記錄開始鼓泡后30 s，1、5、10 min的泡沫高度。停止鼓泡后，記錄停后30 s，1、5 min的泡沫高度。泡沫曲線高度越低說明配方的低泡性能越好。

1.2.3 針對不同食品的抑泡性能

本實驗分別測試兩種不同的食品體系（奶粉，啤酒），模擬實際清洗條件，平行對比不同低泡表面活性劑的抑泡效果。工作液含1%食品，2%氫氧化鈉和0.1%低泡表活（均為質量百分比）。采用循環鼓泡法，測試溫度為60℃，實驗操作與1.2.1基本一致。記錄開始鼓泡后30 s，1、5、10 min的泡沫高度。停止鼓泡后，記錄停后30 s，1、5 min的泡沫高度。泡沫曲線高度越低說明低泡表活對該食品的抑泡性能越好。

1.3 潤濕性能（動態表面張力測試）

使用動態表面張力儀，根據最大泡壓法測定。原理為在液相中的毛細管底部生成氣泡。隨著氣泡的增大，氣泡內壓力也相應增大。直至氣泡半徑與毛細管半徑相同時，氣泡內壓力達到最大值。而從氣泡開始產生到最大壓力之間的時間即為表面年齡（Surface Age）。儀器給出的測量結果對應的是一定表面年齡（Surface Age）下的表面張力，表面張力對表面年齡的關系可以通過不同的鼓泡速度測出。

本實驗配制1 g/L的表面活性劑溶液，測試表面年齡在10 ms至3500 ms（3.5 s）間該溶液的表面張力，并繪制相應曲線。

1.4 漂洗性能

1.4.1 不銹鋼板

配制50 g工作液（1%食品、2%氫氧化鈉和0.1%低泡表活（均為質量百分比）），倒入PP塑料瓶（圖1）。另取3個同規格塑料瓶，各加入50 g去離子水。將不銹鋼板放入試液小瓶中浸泡約30 s，然后依次在3個去離子水小瓶中各漂洗約10 s。檢測第一、三次漂洗液的靜態表面張力，評估不同食品體系（奶粉、啤酒）下，含不同低泡表活清洗液的過洗情況。

圖1 PP瓶（50 mL規格）

1.4.2 載玻片（玻璃）

實驗操作與1.4.1基本一致，區別在于使用載玻片代替不銹鋼板。評估不同食品體系（奶粉、啤酒）下，不同低泡表活溶液在清洗玻璃材質時的過洗情況。

2 結果及討論

2.1 泡沫性能

2.1.1 針對陰離子表活的抑泡性能

陰離子表面活性劑去除油污的能力較強，耐堿性好，常用于在工業清洗配方，尤其是堿性清洗液中。但陰離子表活泡沫較多，漂洗困難，通常與低泡非離子表活復配，既能提升清洗效果也能降低泡沫高度[5-6]。從羅氏泡沫實驗結果發現（圖2），2A1自身泡沫豐富且穩定。在加入LFE-1410后，起始和5 min后的泡沫高度都有了顯著的降低。這說明LFE-1410不僅有效抑制了泡沫的產生，也降低了泡沫的穩定性。

圖2 LFE-1410對于陰離子表活2A1的抑泡性能

2.1.2 配方體系的低泡性能

針對配方的鼓泡實驗結果（圖3）可以看出，LFE-1410對整個配方具有較強的抑泡能力。鼓泡開始約1 min泡沫即出現明顯下降，說明體系內的消泡速度要大于泡沫產生速度，并且在5 min時，泡沫已經達到較低的水平。而含對照表活的稀釋液在整個鼓泡期間泡沫始終處于高位，停止鼓泡后殘泡也高于含LFE-1410的稀釋液。

圖3 不同低泡表活配方的循環鼓泡實驗結果

2.1.3 針對不同食品的抑泡性能

在加工過程中，部分食品具有發泡性。清洗時如果不能較好地控制泡沫，會導致溢出并影響工藝效果。在升溫條件下，對混合奶粉的工作液進行鼓泡實驗。結果顯示（圖4），含有LFE-1410的工作液對奶粉具有較好的抑泡性能。鼓泡過程中，沒有出現大幅度的泡沫增多。而對照表活工作液在鼓泡期間泡沫持續上升，停止鼓泡后雖有一定程度的消泡，但5 min后的泡沫高度仍高于LFE-1410工作液。

圖4 混合奶粉的工作液循環鼓泡實驗結果

在升溫條件下，對混合啤酒的工作液進行鼓泡實驗。結果顯示（圖5），兩個低泡表活工作液的泡沫曲線均很低，幾乎重合。由此看來，兩個表活對啤酒均有較好的抑泡性能，或者啤酒在高溫下的發泡性并不顯著。

圖5 混合啤酒的工作液循環鼓泡實驗結果

2.2 潤濕性能

動態表面張力反映了在動態過程中表面張力隨著時間變化的情況。其測試結果通常是表面活性劑在新界面達到吸附平衡前的表面張力。動態表面張力與體系中表面活性劑的遷移速度相關，而其遷移速度反映了該表面活性劑的潤濕性能。在同樣的時間內，表面活性劑遷移速度越快，表面張力降得越低，潤濕底材的速度越快[7-9]。結果顯示（圖6），ECOSURF? LFE-1410水溶液的表面張力曲線都明顯低于對照表活水溶液。這說明ECOSURF? LFE-1410表面張力降低速度要優于對照表活，這一特點對于幫助清洗液快速潤濕和鋪展起到重要的作用。

圖6 表活水溶液（1 g/L）的動態表面張力

2.3 漂洗性能

在清洗工藝中，通常添加表面活性劑來提高清洗效果。因此漂洗時，不僅需要關注存在殘堿的可能性，表面活性劑也可能會有殘留。有報道顯示殘留的表面活性劑會對產品質量產生影響[10]，不少企業開始研究殘留檢測和控制，確保表活被徹底漂洗去除，同時也避免過度清洗帶來的水耗增加。目前的檢測方法是通過對漂洗液的表面張力測定，來反映該清洗液漂洗情況[11]。

2.3.1 不銹鋼板

根據測試結果（圖7）可知，第一次漂洗液因為含有較多前一步操作的清洗液，所以表面張力相對較低，均在40～45 mN/m。而經過三次漂洗后，ECOSURF? LFE-1410的漂洗液表面張力達到65 mN/m以上，說明該液體表面活性已經很低。而對照表活清洗液在三次漂洗后，其漂洗液的表面張力仍有50～55 mN/m，可以看出對照表活在易漂洗性能上不如ECOSURF? LFE-1410。

圖7 不同工作液的漂洗情況（不銹鋼板）

2.3.2 載玻片（玻璃）

根據測試結果（圖8）發現，第一次漂洗液的數據與不銹鋼板的相應數據接近。從第三次漂洗結果來看，ECOSURF? LFE-1410漂洗液的表面張力數值更高，過洗情況相對較好。同時也注意到，不同食物或表活，載玻片第三次漂洗液的表面張力均明顯低于不銹鋼板第三次漂洗后的數據。這提示了玻璃材質可能比不銹鋼難漂洗，在清洗時需要更多關注。

圖8 不同工作液的漂洗情況（載玻片）

3 結論

通過與常規EO/PO共聚物型低泡表活相比較，新型非離子低泡表面活性劑ECOSURF? LFE-1410對于含高泡陰離子表活配方和奶粉具有更好的抑泡性能。同時，還表現出更低的動態表面張力，在清洗中可以快速潤濕和鋪展于污漬和設備表面，從而提高清洗效率。并且相比于EO/PO共聚物對照品，ECOSURF? LFE-1410漂洗液的表面張力數據顯示其更易于過洗從而節省能耗。由此看來，ECOSURF? LFE-1410可以作為一個優良的低泡表面活性劑應用在食品工業清洗產品中。